JP6969734B2 - Charge detection circuit and radiation detection device including it - Google Patents

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本発明は、発生する電荷の量を時系列に検出する電荷検出回路及びそれを含む放射線検出装置に関する。 The present invention relates to a charge detection circuit that detects the amount of generated charge in time series and a radiation detection device including the same.

従来から、半導体検出器等の放射線検出器から出力される電流信号(電荷信号)を対象に、時間的に変化する電荷量を時系列に検出する検出回路の仕組みが検討されている。例えば、下記非特許文献1には、ToT(Time over Threshold)法を採用した検出回路が提案されている。この検出回路は、検出器からの電流信号を増幅器で電圧信号に変換し、その電圧信号のパルスが閾値を超えた時間を計測し、その時間をパルスの波高値の計測結果として出力することができる。 Conventionally, a mechanism of a detection circuit that detects a time-series charge amount for a current signal (charge signal) output from a radiation detector such as a semiconductor detector has been studied. For example, Non-Patent Document 1 below proposes a detection circuit that employs the ToT (Time over Threshold) method. This detection circuit can convert the current signal from the detector into a voltage signal with an amplifier, measure the time when the pulse of the voltage signal exceeds the threshold value, and output that time as the measurement result of the peak value of the pulse. can.

T.Orita, H. Takahashi and K. Shimazoe, “Dynamic Time-over-Threshold Method for Multi-Channel APD Based Gamma-Ray Detectors”, 2012 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference Record (NSS/MIC),2012年, p.824−826T.Orita, H. Takahashi and K. Shimazoe, “Dynamic Time-over-Threshold Method for Multi-Channel APD Based Gamma-Ray Detectors”, 2012 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference Record (NSS / MIC), 2012 , P. 824-826

しかしながら、上述したToT法を採用した検出回路では、電圧信号のパルスの時間幅を波高値に変換しているが、時間値と波高値との間の関係が線形でないため、得られる波高値の計測結果の精度が低くなりがちである。また、この検出回路では、電圧信号のパルス波形を整形するためのフィルタ回路等の整形回路が必要とされるため、回路構成が複雑となる傾向にある。 However, in the detection circuit adopting the ToT method described above, the time width of the pulse of the voltage signal is converted into the crest value, but since the relationship between the time value and the crest value is not linear, the obtained crest value can be obtained. The accuracy of measurement results tends to be low. Further, in this detection circuit, a shaping circuit such as a filter circuit for shaping the pulse waveform of the voltage signal is required, so that the circuit configuration tends to be complicated.

本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、簡易な回路構成で時間的に変化する電荷信号の波高値を精度よく計測することが可能な電荷検出回路及びそれを含む放射線検出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and is a charge detection circuit capable of accurately measuring the peak value of a charge signal that changes with time with a simple circuit configuration, and a radiation detection device including the same. The purpose is to provide.

上記課題を解決するため、本発明の一形態にかかる電荷検出回路は、発生する電荷の量を時系列に検出する回路であって、キャパシタを含み、電荷の入力を受けてキャパシタに電荷を蓄積することにより、電荷を電圧信号に変換する増幅器と、電圧信号と所定の閾値電圧とを所定の時間間隔で比較することにより比較信号を生成する比較器と、比較器によって所定の時間間隔で生成された比較信号の所定の状態の持続回数を計数して得た計数値を出力する計数器と、比較器によって所定の時間間隔で生成された比較信号が所定の状態を示す際に、増幅器のキャパシタから所定量の電荷を順次引き抜く電荷引抜部と、を備える。 In order to solve the above problems, the charge detection circuit according to one embodiment of the present invention is a circuit that detects the amount of generated charge in time series, includes a capacitor, receives an input of charge, and stores the charge in the capacitor. By doing so, an amplifier that converts a charge into a voltage signal, a comparator that generates a comparison signal by comparing the voltage signal and a predetermined threshold voltage at a predetermined time interval, and a comparator that generates a comparison signal at a predetermined time interval. When a counter that counts the duration of a predetermined state of the comparison signal and outputs a count value obtained by counting the duration of the predetermined state and a comparison signal generated by the comparer at a predetermined time interval indicates a predetermined state, the amplifier A charge extraction unit for sequentially extracting a predetermined amount of charge from the capacitor is provided.

あるいは、本発明の他の形態にかかる放射線検出装置は、上記構成の電荷検出回路と、放射線の入射に応じて電荷を発生させ、電荷を電荷検出回路に入力する半導体検出器と、を備える。 Alternatively, the radiation detection device according to another embodiment of the present invention includes a charge detection circuit having the above configuration and a semiconductor detector that generates a charge in response to an incident of radiation and inputs the charge to the charge detection circuit.

上記形態の電荷検出回路によれば、増幅器において入力された電荷が蓄積されることにより電圧信号が生成され、比較器においてその電圧信号が周期的に閾値電圧と比較されることにより比較信号が生成され、電荷引抜部により比較信号が所定に状態を示す際に増幅器に蓄積された電荷から所定量の電荷が引き抜かれる。これにより、入力された電荷の信号が、その電荷の量に対応して時間軸方向に変換された連続する比較信号に変換されて出力される。このような構成の電荷検出回路によれば、電荷の信号の波高値を高精度に計数して出力することができ、電圧波形を整形するため整形回路が不要とされるため、回路構成が単純化される。その結果、簡易な回路構成で時間的に変化する電荷信号の波高値を精度よく計測することができる。あるいは、上記形態の放射線検出装置によれば、装置の小型化が容易で、高精度の放射線検出装置を実現することができる。 According to the charge detection circuit of the above embodiment, a voltage signal is generated by accumulating the charge input in the amplifier, and a comparison signal is generated by periodically comparing the voltage signal with the threshold voltage in the comparator. Then, a predetermined amount of charge is extracted from the charge stored in the amplifier when the comparison signal indicates a predetermined state by the charge extraction unit. As a result, the signal of the input charge is converted into a continuous comparison signal converted in the time axis direction corresponding to the amount of the charge and output. According to the charge detection circuit having such a configuration, the peak value of the charge signal can be counted and output with high accuracy, and the shaping circuit is not required to shape the voltage waveform, so that the circuit configuration is simple. Will be transformed. As a result, it is possible to accurately measure the peak value of the charge signal that changes with time with a simple circuit configuration. Alternatively, according to the radiation detection device of the above-described embodiment, the device can be easily miniaturized, and a highly accurate radiation detection device can be realized.

ここで、計数器は、電圧信号が所定の閾値電圧を超えたことを示す所定の状態の持続回数を計数し、電荷引抜部は、比較信号が、電圧信号が所定の閾値電圧を超えたことを示す所定の状態を示す際に、所定量の電荷を引き抜く、こととしてもよい。この場合、入力された電荷の信号の波高値が高精度に計測できるとともに、電荷引抜部の回路構成が単純化される。 Here, the counter counts the duration of a predetermined state indicating that the voltage signal exceeds the predetermined threshold voltage, and the charge extraction unit indicates that the comparison signal exceeds the predetermined threshold voltage. A predetermined amount of electric charge may be extracted when the predetermined state is indicated. In this case, the peak value of the signal of the input charge can be measured with high accuracy, and the circuit configuration of the charge extraction unit is simplified.

また、電荷引抜部は、引き抜くための所定量の電荷を予め蓄積するためのキャパシタを有する、こととしてもよいし、所定量の電荷を引き抜くための定電流源を有する、こととしてもよい。この場合、電荷引抜部の回路構成が容易に単純化される。 Further, the charge extraction unit may have a capacitor for accumulating a predetermined amount of charge in advance for extraction, or may have a constant current source for extracting a predetermined amount of charge. In this case, the circuit configuration of the charge extraction unit is easily simplified.

本発明によれば、簡易な回路構成で時間的に変化する電荷信号の波高値を精度よく計測することができる。 According to the present invention, it is possible to accurately measure the peak value of a charge signal that changes with time with a simple circuit configuration.

実施形態にかかる放射線検出装置の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the schematic structure of the radiation detection apparatus which concerns on embodiment. 図1の電荷検出回路の電荷引抜部の具体的な回路構成を示す図である。It is a figure which shows the specific circuit structure of the charge extraction part of the charge detection circuit of FIG. 図1の電荷検出回路の電荷引抜部の具体的な回路構成を示す図である。It is a figure which shows the specific circuit structure of the charge extraction part of the charge detection circuit of FIG. 図1の放射線検出装置において処理される各種信号の時間波形を示す図である。It is a figure which shows the time waveform of various signals processed by the radiation detection apparatus of FIG. 比較例にかかる放射線検出装置の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the schematic structure of the radiation detection apparatus which concerns on a comparative example.

以下、図面を参照しつつ本発明に係る電荷検出回路および放射線検出装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the charge detection circuit and the radiation detection device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or corresponding parts are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.

まず、図1を参照して、本発明の放射線検出装置の一実施形態に係る放射線検出装置10の機能および構成を説明する。図1に示す放射線検出装置10は、時間的に変化する入射放射線の強度を検出するための装置である。この放射線検出装置10は、1つの検出素子からなる半導体検出器11と、その半導体検出器からの出力を処理する電荷検出回路12とから構成されているが、入射放射線の強度の二次元分布を計測可能なように、2次元的に配列された複数の半導体検出器11と、複数の半導体検出器11のそれぞれに対応して設けられた複数の電荷検出回路12とから構成されてもよい。このような2次元配列の回路構成は、半導体基板上に集積回路を形成することによって実現できる。 First, with reference to FIG. 1, the function and configuration of the radiation detection device 10 according to the embodiment of the radiation detection device of the present invention will be described. The radiation detection device 10 shown in FIG. 1 is a device for detecting the intensity of incident radiation that changes with time. The radiation detection device 10 is composed of a semiconductor detector 11 composed of one detection element and a charge detection circuit 12 for processing the output from the semiconductor detector, and has a two-dimensional distribution of the intensity of incident radiation. It may be composed of a plurality of semiconductor detectors 11 arranged two-dimensionally so as to be measurable, and a plurality of charge detection circuits 12 provided corresponding to each of the plurality of semiconductor detectors 11. Such a two-dimensional array circuit configuration can be realized by forming an integrated circuit on a semiconductor substrate.

図1に示すように、放射線検出装置10は、半導体検出器11と、電荷検出回路12とを含んで構成されている。この電荷検出回路12は、半導体検出器11に電気的に接続されて、半導体検出器11から入射放射線の強度に応じて生成される電荷信号が入力される回路であり、前置増幅器(増幅器)13、アナログ−デジタル変換器(ADC)14、計数器15、及び電荷注入回路(電荷引抜部)16を有している。以下、放射線検出装置10の各構成要素の構成について説明する。 As shown in FIG. 1, the radiation detection device 10 includes a semiconductor detector 11 and a charge detection circuit 12. The charge detection circuit 12 is a circuit that is electrically connected to the semiconductor detector 11 and receives a charge signal generated from the semiconductor detector 11 according to the intensity of incident radiation, and is a pre-amplifier (amplifier). It has 13, an analog-to-digital converter (ADC) 14, a counter 15, and a charge injection circuit (charge extraction unit) 16. Hereinafter, the configuration of each component of the radiation detection device 10 will be described.

半導体検出器11は、X線等の放射線の入射に伴い電子正孔対(電荷対)を生成して、入射放射線をそのエネルギー量に対応した電流信号(電荷信号)に変換する検出器である。このような検出器の例としては、Cd(Zn)Te半導体検出器、Si半導体検出器、Ge半導体検出器、GaAs半導体検出器、GaN半導体検出器、TlBr半導体検出器等が挙げられる。 The semiconductor detector 11 is a detector that generates electron-hole pairs (charge pairs) with the incident of radiation such as X-rays and converts the incident radiation into a current signal (charge signal) corresponding to the amount of energy thereof. .. Examples of such a detector include a Cd (Zn) Te semiconductor detector, a Si semiconductor detector, a Ge semiconductor detector, a GaAs semiconductor detector, a GaN semiconductor detector, a TlBr semiconductor detector, and the like.

電荷検出回路12の前置増幅器13は、半導体検出器11から電荷を電流信号として受けて、その電荷を蓄積することにより電圧信号に変換する回路部である。具体的には、前置増幅器13は、キャパシタを含んでおり、キャパシタに電荷を蓄積することにより、そのキャパシタの両端の電圧を電圧信号として出力する。 The preamplifier 13 of the charge detection circuit 12 is a circuit unit that receives a charge as a current signal from the semiconductor detector 11 and converts the charge into a voltage signal by accumulating the charge. Specifically, the preamplifier 13 includes a capacitor, and by accumulating a charge in the capacitor, the voltage across the capacitor is output as a voltage signal.

電荷検出回路12のADC14は、オーバーサンプリングの処理により、所定の時間間隔(例えば、100nsec間隔)で周期的に電圧信号を所定の閾値電圧と比較し、比較の結果生じた比較信号を出力する回路部である。すなわち、ADC14は、電圧信号と閾値電圧とを比較する比較器であり、電圧信号が閾値電圧を超えた際にはハイレベルの比較信号を出力し、電圧信号が閾値電圧以下の場合には、ローレベルの比較信号を出力する。つまり、このADC14は、1ビットのアナログ-デジタル(A/D)変換器である。 The ADC 14 of the charge detection circuit 12 periodically compares a voltage signal with a predetermined threshold voltage at a predetermined time interval (for example, 100 nsec interval) by oversampling processing, and outputs a comparison signal generated as a result of the comparison. It is a department. That is, the ADC 14 is a comparator that compares a voltage signal and a threshold voltage, outputs a high-level comparison signal when the voltage signal exceeds the threshold voltage, and outputs a high-level comparison signal when the voltage signal is equal to or lower than the threshold voltage. Outputs a low level comparator signal. That is, the ADC 14 is a 1-bit analog-to-digital (A / D) converter.

電荷検出回路12の電荷注入回路16は、ADC14によって所定の時間間隔で周期的に生成された比較信号が所定の状態を示す際に、前置増幅器13内のキャパシタから所定量の電荷を順次引き抜くための回路部である。この電荷注入回路16は、ADC14から出力された比較信号がハイレベルの状態を示し、直前のADC14の動作において電圧信号が閾値電圧を超えていたことを示す際に、キャパシタに半導体検出器11から供給された電荷に対して逆極性の電荷を供給することにより、そのキャパシタから所定量の電荷を引き抜く。電荷注入回路16は、この電荷の引き抜き動作を、ADC14による周期的な比較動作に同期して行い、比較信号がローレベルになるまで、すなわち、比較信号によって直前のADC14の動作において電圧信号が閾値電圧以下となったことが示されるまで継続する。 The charge injection circuit 16 of the charge detection circuit 12 sequentially extracts a predetermined amount of charge from the capacitor in the preamplifier 13 when the comparison signal periodically generated by the ADC 14 at a predetermined time interval indicates a predetermined state. It is a circuit part for. The charge injection circuit 16 indicates that the comparison signal output from the ADC 14 is in a high level state, and when the voltage signal exceeds the threshold voltage in the operation of the immediately preceding ADC 14, the capacitor is connected to the semiconductor detector 11. By supplying a charge having the opposite polarity to the supplied charge, a predetermined amount of charge is extracted from the capacitor. The charge injection circuit 16 performs this charge extraction operation in synchronization with the periodic comparison operation by the ADC 14, and the voltage signal is the threshold value until the comparison signal becomes low level, that is, in the operation of the ADC 14 immediately before by the comparison signal. Continue until it is shown to be below the voltage.

電荷検出回路12の計数器15は、ADC14によって所定の時間間隔で周期的に生成された比較信号の所定の状態の持続回数を計数して、その結果得た計数信号を生成・出力する回路部である。すなわち、ADC14から出力された比較信号のハイレベルの状態の持続回数を、ADC14による周期的な比較動作に同期してカウント(計数)する。より具体的には、計数器15は、ADC14の動作間隔である所定の時間間隔において、比較信号がハイレベルの状態を検出した際に、計数信号の計数値に1を加算する。そして、計数器15は、計数値を示す信号を所定の時間間隔(例えば、1.6μsec間隔)で出力することにより、電荷量の時間軸方向の分布を示すデジタル信号を出力する。計数器15は、所定の時間間隔で計数値をリセットしながら計数信号を生成する。例えば、ADC14によるA/D変換の間隔が100nsec間隔であり、1.6μsec間隔で計数値を出力する場合には、4ビットの計数信号を生成することができる。このような計数器15としては、公知のフリップフロップ等のカウンタ回路を用いることができる。 The counter 15 of the charge detection circuit 12 is a circuit unit that counts the duration of a predetermined state of the comparison signal periodically generated by the ADC 14 at a predetermined time interval, and generates and outputs the count signal obtained as a result. Is. That is, the duration of the high level state of the comparison signal output from the ADC 14 is counted (counted) in synchronization with the periodic comparison operation by the ADC 14. More specifically, the counter 15 adds 1 to the count value of the count signal when the comparison signal detects a high level state at a predetermined time interval which is an operation interval of the ADC 14. Then, the counter 15 outputs a signal indicating the count value at a predetermined time interval (for example, 1.6 μsec interval), thereby outputting a digital signal indicating the distribution of the amount of electric charge in the time axis direction. The counter 15 generates a counting signal while resetting the counting value at predetermined time intervals. For example, when the A / D conversion interval by the ADC 14 is 100 nsec intervals and the count value is output at 1.6 μsec intervals, a 4-bit count signal can be generated. As such a counter 15, a known counter circuit such as a flip-flop can be used.

図2は、上述した電荷検出回路12の回路構成の例を示している。図2に示す構成においては、半導体検出器11の一方の端子にバイアスが印加され、半導体検出器11の他方の端子が前置増幅器13の入力に接続される。また、前置増幅器13は、差動増幅器13aとキャパシタ13bによって構成され、差動増幅器13aの非反転入力がグラウンドに接続され、差動増幅器13aの反転入力が半導体検出器11に接続され、差動増幅器13aの出力と反転入力の間にキャパシタ13bが接続されている。このような構成によって、半導体検出器11から入力された電荷がキャパシタ13bに蓄積され、その電荷の量に対応する電圧信号が差動増幅器13aの出力に生成される。さらに、電荷注入回路16は、スイッチトキャパシタ回路であり、直流電源16a、キャパシタ16b、及びスイッチ素子16c〜16fによって構成される。このような構成の電荷注入回路16は、ADC14からの比較信号ENと、ADC14による周期的な比較動作に同期したクロック信号CLOCKとを受け、クロック信号CLOCKに同期したタイミングにおいて比較信号ENがハイレベルを示すときに、キャパシタ16bに予め蓄積させておいた直流電源16aの電圧に対応した電荷量の電荷を、前置増幅器13のキャパシタ13bに供給する。このとき、キャパシタ16bからキャパシタ13bに供給される電荷は、半導体検出器11からキャパシタ13bに供給される電荷の極性に対して逆の極性の電荷となるように直流電源16aの極性が設定される。具体的には、直流電源16aの一端がグラウンドに接続され、直流電源16aの他端がスイッチ素子16cを介してキャパシタ16bの一端に接続され、キャパシタ16bの他端がスイッチ素子16fを介してキャパシタ13bの半導体検出器11側の端子に接続される。さらに、キャパシタ16bの両端は、それぞれ、スイッチ素子16d,16eを介してグラウンドに接続される。上記構成の電荷注入回路16においては、スイッチ素子16c及びスイッチ素子16eが閉じられ、スイッチ素子16d,16fが開かれることにより、予めキャパシタ16bに電荷が蓄積される。その後、クロック信号CLOCKに同期したタイミングにおいて、比較信号ENがハイレベルを示す場合に、スイッチ素子16c及びスイッチ素子16eが開かれ、スイッチ素子16d,16fが閉じられることにより、キャパシタ16bに蓄積された電荷が、キャパシタ13bに供給される。 FIG. 2 shows an example of the circuit configuration of the charge detection circuit 12 described above. In the configuration shown in FIG. 2, a bias is applied to one terminal of the semiconductor detector 11 and the other terminal of the semiconductor detector 11 is connected to the input of the preamplifier 13. Further, the preamplifier 13 is composed of a differential amplifier 13a and a capacitor 13b, the non-inverting input of the differential amplifier 13a is connected to the ground, and the inverting input of the differential amplifier 13a is connected to the semiconductor detector 11. A capacitor 13b is connected between the output of the dynamic amplifier 13a and the inverting input. With such a configuration, the electric charge input from the semiconductor detector 11 is accumulated in the capacitor 13b, and a voltage signal corresponding to the amount of the electric charge is generated in the output of the differential amplifier 13a. Further, the charge injection circuit 16 is a switched capacitor circuit, and is composed of a DC power supply 16a, a capacitor 16b, and switch elements 16c to 16f. The charge injection circuit 16 having such a configuration receives the comparison signal EN from the ADC 14 and the clock signal CLOCK synchronized with the periodic comparison operation by the ADC 14, and the comparison signal EN is at a high level at the timing synchronized with the clock signal CLOCK. At the time of indicating, the charge of the charge amount corresponding to the voltage of the DC power source 16a stored in advance in the capacitor 16b is supplied to the capacitor 13b of the pre-amplifier 13. At this time, the polarity of the DC power supply 16a is set so that the electric charge supplied from the capacitor 16b to the capacitor 13b has a polarity opposite to the polarity of the electric charge supplied from the semiconductor detector 11 to the capacitor 13b. .. Specifically, one end of the DC power supply 16a is connected to the ground, the other end of the DC power supply 16a is connected to one end of the capacitor 16b via the switch element 16c, and the other end of the capacitor 16b is connected to the capacitor via the switch element 16f. It is connected to the terminal on the semiconductor detector 11 side of 13b. Further, both ends of the capacitor 16b are connected to the ground via the switch elements 16d and 16e, respectively. In the charge injection circuit 16 having the above configuration, the switch element 16c and the switch element 16e are closed, and the switch elements 16d and 16f are opened, so that the charge is accumulated in the capacitor 16b in advance. After that, when the comparison signal EN shows a high level at the timing synchronized with the clock signal CLOCK, the switch element 16c and the switch element 16e are opened, and the switch elements 16d and 16f are closed, so that they are stored in the capacitor 16b. Charges are supplied to the capacitor 13b.

図3は、電荷検出回路12の別の回路構成の例を示している。図3に示す構成においては、電荷注入回路16Aが、スイッチトカレント回路であり、定電流源16g及びスイッチ素子16hによって構成される。このような構成の電荷注入回路16Aは、クロック信号CLOCKに同期したタイミングにおいて比較信号ENがハイレベルを示すときに、定電流源16gの電流値に対応した電荷量の電荷を、前置増幅器13のキャパシタ13bに供給する。このとき、定電流源16gからキャパシタ13bに供給される電荷は、半導体検出器11からキャパシタ13bに供給される電荷の極性に対して逆の極性の電荷となるように定電流源16gの極性が設定される。具体的には、定電流源16gの一端がグラウンドに接続され、定電流源16gの他端がスイッチ素子16hを介してキャパシタ13bの半導体検出器11側の端子に接続される。上記構成の電荷注入回路16Aにおいては、クロック信号CLOCKの一周期の期間において、比較信号ENがハイレベルを示す場合に、スイッチ素子16hが閉じられることにより、定電流源16gの電流値とクロック信号CLOCKの周期の積で決まる電荷量の電荷が、キャパシタ13bに供給される。 FIG. 3 shows an example of another circuit configuration of the charge detection circuit 12. In the configuration shown in FIG. 3, the charge injection circuit 16A is a switched current circuit, and is composed of a constant current source 16g and a switch element 16h. The charge injection circuit 16A having such a configuration charges a charge amount corresponding to the current value of the constant current source 16 g when the comparison signal EN shows a high level at the timing synchronized with the clock signal CLOCK. It is supplied to the capacitor 13b of. At this time, the polarity of the constant current source 16g is such that the electric charge supplied from the constant current source 16g to the capacitor 13b has the opposite polarity to the polarity of the electric charge supplied from the semiconductor detector 11 to the capacitor 13b. Set. Specifically, one end of the constant current source 16g is connected to the ground, and the other end of the constant current source 16g is connected to the terminal on the semiconductor detector 11 side of the capacitor 13b via the switch element 16h. In the charge injection circuit 16A having the above configuration, when the comparison signal EN shows a high level in one cycle of the clock signal CLOCK, the switch element 16h is closed, so that the current value of the constant current source 16g and the clock signal A charge amount determined by the product of the CLOCK periods is supplied to the capacitor 13b.

次に、上述した放射線検出装置10の動作例について、比較例と比較しつつ説明する。 Next, an operation example of the above-mentioned radiation detection device 10 will be described while comparing with a comparative example.

図5には、比較例にかかる放射線検出装置910の概略構成を示している。比較例にかかる放射線検出装置910は、ToT法を採用した検出回路を備え、前置増幅器13の後段に接続された波形整形回路915及びTime-to-Digital変換器(TDC)914を有している。波形整形回路915は、前置増幅器13から出力された電圧信号のノイズを低減するとともにその電圧信号を整形して出力するための回路であり、フィルタ回路及び増幅器を内蔵している。この波形整形回路915は、後段のTDC914によるT/D変換の精度を上げるために必要とされる。TDC914は、波形整形回路915によって整形された電圧信号と所定の閾値電圧とを比較し、パルスが閾値電圧を超えている期間を計数し、その計数結果をデジタル値として出力する。このような放射線検出装置910においては、パルスの時間幅をパルスの波高値を表すものとしてカウントして出力しているが、波高値と時間幅とは線形関係に無いため、得られる波高値のデジタル値の精度が低くなる傾向にある。また、出力されるデジタル値の精度をある程度確保するためには波形整形回路が必須となる結果、回路規模が大きくなりがちである。さらには、出力されるデジタル値の分解能を上げるためにはTDC914における閾値数を増やす必要があり、TDC914の回路規模が大きくなる傾向にある。 FIG. 5 shows a schematic configuration of the radiation detection device 910 according to the comparative example. The radiation detection device 910 according to the comparative example includes a detection circuit adopting the ToT method, and has a waveform shaping circuit 915 and a time-to-digital converter (TDC) 914 connected to the subsequent stage of the preamplifier 13. There is. The waveform shaping circuit 915 is a circuit for reducing the noise of the voltage signal output from the preamplifier 13 and shaping and outputting the voltage signal, and has a built-in filter circuit and an amplifier. This waveform shaping circuit 915 is required to improve the accuracy of T / D conversion by the TDC 914 in the subsequent stage. The TDC 914 compares the voltage signal shaped by the waveform shaping circuit 915 with a predetermined threshold voltage, counts the period during which the pulse exceeds the threshold voltage, and outputs the counting result as a digital value. In such a radiation detection device 910, the time width of the pulse is counted and output as representing the peak value of the pulse, but since the peak value and the time width do not have a linear relationship, the obtained peak value can be obtained. The accuracy of digital values tends to be low. Further, as a result of the waveform shaping circuit being indispensable for ensuring the accuracy of the output digital value to some extent, the circuit scale tends to be large. Furthermore, in order to increase the resolution of the output digital value, it is necessary to increase the number of threshold values in the TDC 914, and the circuit scale of the TDC 914 tends to increase.

図4には、放射線検出装置10及び放射線検出装置910において処理される各種信号の時間波形を示し、(a)には入力される電流信号のパルス波形、(b)には放射線検出装置910における前置増幅器13の出力電圧の波形、(c)には放射線検出装置10における電荷の引抜き動作後の前置増幅器13の出力電圧の波形、(d)には放射線検出装置10におけるADC14に供給されるクロック信号CLOCKの波形、(e)には放射線検出装置10におけるADC14の出力電圧(比較信号)の波形が、それぞれ示されている。これらの時間波形に示されるように、入力される電流信号のパルスに応じたレベルを有する電圧信号が放射線検出装置10の前置増幅器13から出力されており、その電圧信号のレベルがクロック信号CLOCKに同期したタイミングで段階的に低下している。そして、放射線検出装置10の前置増幅器13から出力レベルが所定のレベルに低下するまで、放射線検出装置10のADC14の出力電圧がハイレベルに維持されている。これに対して、(b)の波形に示すように、比較例の放射線検出装置910の前置増幅器13の出力電圧は、入力される電流信号のパルスに応じて一定電圧に維持されており、この出力電圧が後段の波形整形回路915及びTDC914によって処理されるようになっている。 FIG. 4 shows time waveforms of various signals processed by the radiation detection device 10 and the radiation detection device 910, (a) is a pulse waveform of an input current signal, and (b) is a radiation detection device 910. The waveform of the output voltage of the pre-amplifier 13 is supplied to (c) the waveform of the output voltage of the pre-amplifier 13 after the charge extraction operation in the radiation detection device 10, and (d) is supplied to the ADC 14 in the radiation detection device 10. The waveform of the clock signal CLOCK and the waveform of the output voltage (comparison signal) of the ADC 14 in the radiation detection device 10 are shown in (e). As shown in these time waveforms, a voltage signal having a level corresponding to the pulse of the input current signal is output from the preamplifier 13 of the radiation detection device 10, and the level of the voltage signal is the clock signal CLOCK. It is gradually decreasing at the timing synchronized with. Then, the output voltage of the ADC 14 of the radiation detection device 10 is maintained at a high level until the output level of the preamplifier 13 of the radiation detection device 10 drops to a predetermined level. On the other hand, as shown in the waveform of (b), the output voltage of the preamplifier 13 of the radiation detection device 910 of the comparative example is maintained at a constant voltage according to the pulse of the input current signal. This output voltage is processed by the waveform shaping circuit 915 and the TDC 914 in the subsequent stage.

以上説明した放射線検出装置10によれば、前置増幅器13において入力された電荷が蓄積されることにより電圧信号が生成され、ADC14においてその電圧信号が周期的に閾値電圧と比較されることにより比較信号が生成され、電荷注入回路16により比較信号がハイレベル状態を示す際に前置増幅器13に蓄積された電荷から所定量の電荷が引き抜かれる。これにより、入力された電荷の信号が、その電荷の量に対応して時間軸方向に変換された連続する比較信号に変換されて出力される。さらに、計数器15によって比較信号のハイレベル状態の持続回数が計数されることによって、電荷量の時間軸方向の分布を示すデジタル信号を出力することができる。このような構成の放射線検出装置10によれば、電流信号の波高値と比較信号のハイレベル状態に関する計数値とが線形関係にあるので、電流信号の波高値を高精度に計数して出力することができる。また、比較例の放射線検出装置910と比較して、電圧波形を整形するための整形回路が不要とされ、1ビットのA/D変換器ですむため、回路構成が単純化される。その結果、簡易な回路構成で時間的に変化する電荷信号の波高値を精度よく計測することができる。そして、装置の集積化が容易で、かつ、高精度の放射線検出装置を実現することができる。 According to the radiation detection device 10 described above, a voltage signal is generated by accumulating the electric charge input in the preamplifier 13, and the voltage signal is periodically compared with the threshold voltage in the ADC 14 for comparison. A predetermined amount of charge is withdrawn from the charge stored in the preamplifier 13 when the signal is generated and the comparison signal exhibits a high level state by the charge injection circuit 16. As a result, the signal of the input charge is converted into a continuous comparison signal converted in the time axis direction corresponding to the amount of the charge and output. Further, by counting the number of times the high level state of the comparison signal is sustained by the counter 15, it is possible to output a digital signal showing the distribution of the amount of electric charge in the time axis direction. According to the radiation detection device 10 having such a configuration, since the peak value of the current signal and the count value related to the high level state of the comparison signal are in a linear relationship, the peak value of the current signal is counted and output with high accuracy. be able to. Further, as compared with the radiation detection device 910 of the comparative example, a shaping circuit for shaping the voltage waveform is not required, and a 1-bit A / D converter is sufficient, so that the circuit configuration is simplified. As a result, it is possible to accurately measure the peak value of the charge signal that changes with time with a simple circuit configuration. Further, it is possible to realize a highly accurate radiation detection device with easy integration of the device.

さらに、電荷注入回路16には、スイッチトキャパシタの構成、あるいは、スイッチトカレント回路の構成が採用されている。このように、デジタル信号を処理するのではなく電荷を直接引き抜くような構成とすることで、演算増幅器等の余計な回路が不要となり、電荷注入回路16の回路構成が単純化され、放射線検出装置の集積化が容易とされる。 Further, the charge injection circuit 16 adopts a switched capacitor configuration or a switched current circuit configuration. In this way, by configuring the structure to directly extract the charge instead of processing the digital signal, an extra circuit such as an operational amplifier becomes unnecessary, the circuit configuration of the charge injection circuit 16 is simplified, and the radiation detection device is used. Is easy to integrate.

なお、本発明は、上述した実施形態の態様に限定されるものではない。本実施形態の電荷検出回路12は、放射線検出の用途に限定されるものではなく、広く撮像素子用の検出回路として用いられてもよい。例えば、γ線、α線等の検出の用途であってもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiment. The charge detection circuit 12 of the present embodiment is not limited to the use of radiation detection, and may be widely used as a detection circuit for an image pickup device. For example, it may be used for detecting γ-rays, α-rays, and the like.

10…放射線検出装置、11…半導体検出器、12…電荷検出回路、13…前置増幅器(増幅器)、13b…キャパシタ、14…ADC(比較器)、15…計数器、16,16A…電荷注入回路(電荷引抜部)、16b…キャパシタ、16g…定電流源。 10 ... Radiation detector, 11 ... Semiconductor detector, 12 ... Charge detection circuit, 13 ... Pre-amplifier (amplifier), 13b ... Capacitor, 14 ... ADC (Comparator), 15 ... Counter, 16, 16A ... Charge injection Circuit (charge extraction part), 16b ... Capacitor, 16g ... Constant current source.

Claims (3)

発生する電荷の量を時系列に検出する回路であって、
キャパシタを含み、電荷の入力をパルス状の電流信号として受けて前記キャパシタに前記電荷を蓄積することにより、前記電荷を電圧信号に変換する増幅器と、
前記電圧信号と所定の閾値電圧とを所定の時間間隔で比較することにより比較信号を生成する比較器と、
前記比較器によって前記所定の時間間隔で生成された前記比較信号の所定の状態の持続回数を計数して得た計数値を、前記電荷の入力信号の波高値を示す値として出力する計数器と、
前記比較器によって前記所定の時間間隔で生成された前記比較信号が前記所定の状態を示す際に、前記増幅器の前記キャパシタから所定量の電荷を順次引き抜く電荷引抜部と、
含む電荷検出回路と、
放射線の入射に応じて電荷を発生させ、前記電荷を前記電荷検出回路に入力する半導体検出器と、
を備え、
前記計数器は、前記電圧信号が前記所定の閾値電圧を超えたことを示す前記所定の状態の持続回数を計数し、
前記電荷引抜部は、前記比較信号が前記電圧信号が前記所定の閾値電圧を超えたことを示す前記所定の状態を示す際に、前記所定量の電荷を引き抜き、前記比較信号が前記所定の閾値電圧以下になったことを示すまで、比較器の比較動作に同期して繰り返し前記所定量の電荷を引き抜き、
前記増幅器は、前記比較信号が前記所定の閾値電圧以下となったことを示す際には、前記電荷引抜部による電荷の前記キャパシタへの供給が停止された状態で前記半導体検出器からの電荷を前記キャパシタに蓄積させる、
放射線検出装置
A circuit that detects the amount of electric charge generated in chronological order.
An amplifier that includes a capacitor and converts the charge into a voltage signal by receiving the input of the charge as a pulsed current signal and accumulating the charge in the capacitor.
A comparator that generates a comparison signal by comparing the voltage signal and a predetermined threshold voltage at a predetermined time interval, and a comparator.
A counting value obtained by counting the number of times the predetermined state of the comparison signal is generated by the comparator at a predetermined time interval is output as a value indicating the peak value of the charge input signal. ,
A charge extraction unit that sequentially extracts a predetermined amount of charge from the capacitor of the amplifier when the comparison signal generated by the comparator at a predetermined time interval indicates the predetermined state.
Charge detection circuit , including
A semiconductor detector that generates an electric charge in response to the incident of radiation and inputs the electric charge to the electric charge detection circuit.
Equipped with
The counter counts the number of durations of the predetermined state indicating that the voltage signal exceeds the predetermined threshold voltage.
The charge extraction unit extracts the predetermined amount of charge when the comparison signal indicates the predetermined state indicating that the voltage signal exceeds the predetermined threshold voltage, and the comparison signal draws the predetermined threshold value. Until it is shown that the voltage has dropped below the voltage, the predetermined amount of charge is repeatedly extracted in synchronization with the comparison operation of the comparator.
When the amplifier indicates that the comparison signal is equal to or lower than the predetermined threshold voltage, the amplifier receives the charge from the semiconductor detector in a state where the supply of the charge by the charge extraction unit to the capacitor is stopped. Accumulated in the capacitor
Radiation detector .
前記電荷引抜部は、引き抜くための前記所定量の電荷を予め蓄積するためのキャパシタを有する、
請求項記載の放射線検出装置
The charge extraction unit has a capacitor for accumulating the predetermined amount of charge in advance for extraction.
The radiation detection device according to claim 1 .
前記電荷引抜部は、前記所定量の電荷を引き抜くための定電流源を有する、
請求項記載の放射線検出装置
The charge extraction unit has a constant current source for extracting the predetermined amount of charge.
The radiation detection device according to claim 1 .
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